中主電路,電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速

1、中北大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè): 自動(dòng)化 題 目： 雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)中主電路， 電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 2011年8月25日 中北大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 11/12 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè): 自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)題目: 雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)中主電路， 電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 8月22 日8月 26日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 中北大學(xué) 指 導(dǎo) 教 師： 下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2011年08月 22日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)一、

2、 設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)中主電路，電流調(diào)節(jié)器及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。二、 已知條件及控制對(duì)象的基本參數(shù)：(1)已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：=3kW，=220V，=17。5A,=1500r/min，電樞繞組電阻=1.25，=3.53。采用三相全控橋式電路，整流裝置內(nèi)阻=1。3。平波電抗器電阻=0。3。整流回路總電感L=200mH.（2）這里暫不考慮穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，ASR限幅輸出=8V，ACR限幅輸出=8V，最大給定=10V，調(diào)速范圍D=20，靜差率s=10%，堵轉(zhuǎn)電流 =2.1，臨界截止電流 =2。(3）設(shè)計(jì)指標(biāo)：電流超調(diào)量%5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%,空

3、載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 t0.5.三、 設(shè)計(jì)要求（1）用工程設(shè)計(jì)方法和西門(mén)子調(diào)節(jié)器最佳整定法 進(jìn)行設(shè)計(jì),決定ASR和ACR結(jié)構(gòu)并選擇參數(shù)。（2）對(duì)上述兩種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析比較。（3）設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)畫(huà)出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（4）利用matlab/simulink進(jìn)行結(jié)果仿真。 為可選作內(nèi)容四、 設(shè)計(jì)方法及步驟： 用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) （1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：（2）電流環(huán)設(shè)計(jì)1） 確定時(shí)間常數(shù)2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)3） 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為4） 校驗(yàn)近似條件（3）轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1） 確定時(shí)間常數(shù)2） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)3） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 4

4、） 校驗(yàn)近似條件 用西門(mén)子調(diào)節(jié)器最佳整定法設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正 兩種設(shè)計(jì)方法的分析比較五、 設(shè)計(jì)心得:六、 參考資料 :一系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則： 按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)" 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里,首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 。(2)電流環(huán)設(shè)計(jì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡(jiǎn)化:1）確定時(shí)間常數(shù) 根據(jù)已知數(shù)據(jù)得 ´= 三相橋式晶閘管整流電路的平均后時(shí)間0。0017sT=,取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，可得電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為0.002oiT，可得電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) S

5、 但由于對(duì)電流超調(diào)量有較嚴(yán)格要求，而抗擾指標(biāo)卻沒(méi)有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3)選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 積分時(shí)間常數(shù)： 為滿(mǎn)足%5%，取電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益KI 為:電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)KI 為：取調(diào)節(jié)器的輸入電阻R0=20K，則電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)為：根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：故能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截至頻率:晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為：又有：故該近似條件滿(mǎn)足。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:則故該近似條件滿(mǎn)足。（3）轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及簡(jiǎn)化：確定時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)的等級(jí)時(shí)間常數(shù)為 0。0074s.取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 0

6、。01s，轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為:2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大,因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如采用比例調(diào)節(jié)器，將很難滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求.為此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用近似PI調(diào)節(jié)器,按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).可證明，當(dāng)近似PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大時(shí)，其傳遞函數(shù)可表示為3)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5，求出轉(zhuǎn)速超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts。如果能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則可根據(jù)所選的h值計(jì)算有關(guān)參數(shù)；否則要改變h值重新進(jìn)行計(jì)算，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為止。當(dāng)h=5時(shí)，ASR退飽和超調(diào)量為:式中為電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載系數(shù),按題意l=2.1；z為負(fù)載系數(shù)，設(shè)為理想空載

7、起動(dòng),則z=0； ,當(dāng)h=5時(shí)，故起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速,即n*= 時(shí)，退飽和超調(diào)量為=9。2%小于10%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求?？蛰d起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程中，由于在大部分時(shí)間內(nèi)ASR飽和而不起調(diào)節(jié)作用,使過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts延長(zhǎng)，ts 可表示為 ts=t0+t2, 其中t2為恒流升速時(shí)間，t0是退飽和超調(diào)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為ASR比例系數(shù)為如去調(diào)節(jié)器輸入電阻Ro=20kW，則4）校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為故滿(mǎn)足該簡(jiǎn)化條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：故滿(mǎn)足該簡(jiǎn)化條件.5） 易犯錯(cuò)誤此系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，ASR似乎可用比例調(diào)節(jié)器并按典型I型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo),轉(zhuǎn)速超調(diào)

8、量要求n小于10,據(jù)此可選擇參數(shù)為于是 上述設(shè)計(jì)過(guò)程的錯(cuò)誤是:ASR采用比例調(diào)節(jié)器,當(dāng)其放大系數(shù)為9。7時(shí)，雖可滿(mǎn)足動(dòng)態(tài) 指標(biāo)的要求，但卻無(wú)法滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。由前述計(jì)算可知，發(fā)展穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求時(shí)KASR=76。3，即ASR采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)無(wú)法解決動(dòng)、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾,只有當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)器（或近似PI調(diào)節(jié)器）后，才能較好地解決這個(gè)矛盾.為此，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求較高時(shí)，即使是有差系統(tǒng)，ASR仍應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，并按典型II型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外,計(jì)算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間st時(shí)，若查教材表26,當(dāng)h=5時(shí),得 是不對(duì)的，此錯(cuò)誤在于：教材表26所列數(shù)據(jù)是系統(tǒng)處于線性狀態(tài)下得到的跟隨性指

9、標(biāo)，它只適用與線性系統(tǒng)。而實(shí)際系統(tǒng)在突加給定后,由于ASR飽和不再起調(diào)節(jié)作用，因此其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間將延長(zhǎng)，其值主要由恒流升速的過(guò)程時(shí)間所決定. 用西門(mén)子調(diào)節(jié)器最佳整定法設(shè)計(jì)（1)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如教材中圖227所示。對(duì)于這種調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群所組成的系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器，即如果調(diào)節(jié)器按下列調(diào)節(jié)選擇參數(shù)，電流環(huán)即將被校正為二階最佳閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所得調(diào)節(jié)器參數(shù)為因Ro=20k,取1F，于是 取68.這時(shí)電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：最大超調(diào)量（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正 將電流環(huán)與上述的工程設(shè)計(jì)方法同樣處理,可畫(huà)出轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)圖如圖所示。對(duì)于

10、這種調(diào)節(jié)對(duì)象由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性群組成的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器，即如果調(diào)節(jié)器按下述條件選擇參數(shù),系統(tǒng)即被校正為三階最佳閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所得調(diào)節(jié)器參數(shù)為R0=20k,取Cn=0.47uF,給定濾波器的時(shí)間常數(shù)為0.0696S當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用上述參數(shù),并在輸入端加給定濾波器后,系統(tǒng)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量=8.1%,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts=16.4×0.0174s=0.265s.兩種設(shè)計(jì)方法的分析比較（1）西門(mén)子設(shè)計(jì)方法中的二階最佳系統(tǒng),與工程設(shè)計(jì)方法中的典型I型系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當(dāng)于典型I型系統(tǒng)中選12KT= 的情況。 （2）西門(mén)子設(shè)計(jì)方法

11、中三階最佳系統(tǒng)與工程設(shè)計(jì)方法中的典型II型系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當(dāng)于典型II型系統(tǒng)中選中頻寬h=4的情況.（3）西門(mén)子設(shè)計(jì)方法的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速超調(diào)量計(jì)算未考慮ASR飽和，因此給出的 過(guò)大；再采用較大時(shí)間常數(shù)的給定濾波，并不能減小，因此只要ASR飽和，此濾波環(huán)節(jié)對(duì)抑制超調(diào)就無(wú)作用。此外，西門(mén)子方法沒(méi)有給出參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的變化趨勢(shì)，這就給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試帶來(lái)一定困難。二、設(shè)計(jì)心得： 這次電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)歷時(shí)一個(gè)星期，在整整一個(gè)星期的日子里,可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西,同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí). 1。學(xué)習(xí)是沒(méi)有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前,我一直以為自己的理論知識(shí)學(xué)的很好了。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我總是被一些小的，細(xì)的問(wèn)題擋住前進(jìn)的步伐,讓我總是為了解決一個(gè)小問(wèn)題而花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間.最后還要查閱其他的書(shū)籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道.其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時(shí)候，基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí),但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。 2.多和同學(xué)討論。我們?cè)谧稣n程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問(wèn)題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會(huì)使自己在做的過(guò)程中